Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию оптических явлений, связанных с межподзонными (МП) переходами горячих дырок в алмазоподобнмх полупроводниках (на примере Се) и размерно-квантованных гетероструктурах (РГ) на основе тзердых растворов GaAs/AlGaAs а Gc./GeSi. Разогрев дырок осуществлялся сильным электрическим полем, в гетероструктурах поле прикладывалось в плоскости квантовых ям (КЯ).
Актуальность темьі, Вклад свободных носителей заряда (НЗ) в оптические
постоянные полупроводниковых материалов становится заметен в инфракрасной
(ИК) н дальней ИК областях спектра. Исследования оптических явлений при нх
разогреве начались с конца 00-х годов. Было обнаружено, что разогрев и дрейф
свободных НЗ уже в относительно слабых электрических полях Е - 200 В/см
приводят к изменению диэлектрической проницаемости (ДП); В неравновесных
условиях НЗ позволяют получить информацию об особенностях закона дисперсии,
механизмах релаксации энергии. С практической точки зрения в первую очередь
привлекает малоинерционность явлений разогрева ( - 10"10 с и лучше),
отличительным достоинством модуляторов ИК излучения на горячих НЗ является
возможность их согласования с генератором поля в широкой полосе частот. Из-за
сложной структуры валентной зоны большинства распространенных
полупроводников возможны прямые переходы дырок между подзонами. По этой
причине вклад дырок в поглощение и преломление света оказывается значительно
і большим по сравнению со вкладом электронов.
Ярким событием начала 80-х годов в физике полупроводников явилось
создание целого ряда источников стимулированного излучения на горячих дырках в
Ge. Преимущество таких лазеров заключается в возможности перестройки длины
волны излучения Л в несколько раз при изменении величин электрического и
магнитного полей. Одним из самых мощных источников этого типа является лазер
'- 2 -
дальнего ИК диапазона на МП переходах дырок а Се в скрещенных полях. Нозможности его практического использования были ограничены из-за широкой полосы излучения: ЛХ/Х -0.2; необходимо было получить узкую линню генерации.
Главным объектом исследований физики полупроводников последнего десятилетия являются размерно-квантованные гетероструктуры (РГ). Их изучение открывает возможности генерации и модуляции излучения на новых принципах. Исследованию эффектов на горячих НЗ в структурах с пониженной размерностью в продольном электрическом поле посвящено большое число публикаций, но практически во всех из них исследовались РГ со свободными электронами. Это объясняется сравнительной легкостью разогрева последних из-за более высокой подвижности в структурах A3BS, значительно меньшей скорости потерь энергии по сравнению с дырками. Работ по разогреву дырок в РГ было очень мало. Однако, оптические явления, связанные с МП переходами горячих дырок в КЯ представляют интерес благодаря сложной структуре закона дисперсии; для приборных применений привлекательна возможность взаимодействия дырок со светом, поляризованным в плоскости РГ.
В настоящее время физика горячих НЗ - быстро развивающееся направление. Малые размеры современных полупроводниковых приборов приводят к большой величине электрического поля в них и значительной роли эффектов разогрева.
Основные задачи работы можно разделить на три группы: і) обнаружение и исследование новых эффектов па горячих НЗ, связанных с разогревом и дрейфом дырок в алмазоподобиых полупроводниках (на примере Ge) в сильном электрическом поле:
изменения тензора диэлектрической проницаемости (ДП),
анизотропии тензора ДП,
увлечения света током дырок;
II) исследование генерации стимулированного излучения лазера на МП переходах горячих дырок в Се в узкополосиом режиме:
достижение узкополосного режима генерации,
разработка узкополосного лазера с возможностью дискретной перестройки
длины волны излучения изменением полей,
- демонстрация возможности практического применения лазера на МП
переходах дырок в Ge на примере исследования циклотронного резонанса
(ЦР) при разогреве электронов в InStr, Ш) исследование МП переходов горячих дырок в РГ в продольном слоям электрическом поле:
- обнаружение спонтанного излучения горячих дырок и исследование его
спектра,
- исследование изменения поглощения света в РГ при разогреве дырок по
модуляции поляризованного излучения лазера на p-Ge.
Научная новизна работы.
1. Впервые экспериментально обнаружены и исследованы новые эффекты,
связанные с изменением тензора ДП алмаэоподобных полупроводников в
электрическом поле (на примере Ge). Эффекты обусловлены виртуальными МП
переходами дырок при их разогреве и дрейфе. Проведен теоретический анализ
вклада дырок в изменение тензора ДП и появление его анизотропии в
электрическом поле.
2. Показана возможность использования диэлектрических зеркал с
небольшим числом слоев в качестве селектирующего элемента узкополосного лазера
на МП переходах горячих дырок в Се. Показана возможность дискретной
перестройки узкой линии излучения изменением прикладываемых полей;
подтвержден однородный характер уширения.
-
Впервые обнаружено и исследовано спонтанное излучение горячих дырок в РГ. В спектре излучения обнаружены пики, которые связаны с особенностями Ван Хова приведенной плотности состояний при прямых МП переходах дырок.
-
Впервые экспериментально исследовано изменение поглощения света при разогреве квазидвумерных дырок. Показано, что изменение поглощения также связано с прямыми МП переходами дырок при их разогреве; обнаружены значительные изменения поглощения для света, поляризованного как перпендикулярно, так и в плоскости КЯ.
Практическая ценность работы. Разработан ряд методик и установок для упомянутых выше исследований, а именно:
- методика для измерения линейных по электрическому полю вкладов в тензор
ДП с использованием интерферометра Маха-Цендера;
- методика селекции длин волн с помощью диэлектрических зеркал лазера на
МП переходах дырок в Се; сконструирован лазер с шириной линии ДА. < 0.2 мкм; лазер с возможностью дискретной перестройки длины волны излучения в диапазоне Ijf 77.? 204 мкм изменением приложенных полей;
- методика наблюдения дальнего ИК излучения при разогреве НЗ короткими
(- 0.2 мкс) импульсами сильного электрического ноля;
- методика измерения спектра излучения в диапазоне энергий квантов света
hv - 4 - 17 мэВ с помощью перестраиваемого фильтра на ЦР электронов в
IttSb и широкополосного фотодетектора Ge
- магнитопропускания в конфигурациях Фогта и Фарадея по двухлучевой
схеме, ''"І'"
- модуляции излучения лазера структурами в импульсном электрическом поле.
Основные положения, выносимые на защиту;
-
В средней ИК области спектра изменение показателя преломления p-Ge и появление его анизотропии в электрическом поле определяются совместным действием разогрева и дрейфа дырок и сложной структуры валентной зоны.
-
Экспериментально показано, что эффект увлечения света током в p-Ge связан со вкладом виртуальных МП переходов дырок.
-
Разработаны физико-технические принципы достижения узкополосного режима генерации лазера на МП переходах горячих дырок в Се с возможностью дискретной перестройки длины волны излучения изменением приложенных электрического и магнитного полей.
-
Пики в спектрах дальнего ИК излучения- горячих дырок в размерно-квантованных гетероструктурах связаны с особенностями приведенной плотности состояний при их МП переходах.
-
Основной вклад в изменение поглощения света в области особенности приведенной плотности состояний размерно-квантованными гетероструктурами р - типа в электрическом поле связан с МП переходами дырок при вх разогреве.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 12 международных н 5 российских конференциях, семинарах и симпозиумах. Основные из них: "HOTEL - 90" (Вильнюс 1990); 16th (Switzerland, 1991) and 20th (USA, 1995) International Conference on Inftared and Sub-millimeter Waves; International Semiconductor Device Research Symposiums, Charlottesville, USA (1991 and 1995); 8th (Oxford, 1993) and 9th (Chicago, 1695) International Conferences on Hot Carriers ш Semiconductors; 1-я (НЛовгород, 1993) и 2-я (СПетербург, 1990) Российские конференции по физихе полупроводников; Conference on Laser and Elec-trooptics - CLEO (Anaheim, USA, 1994); International Symposiums "Nanostructures: Physics and Technology", SLPetersburg (1994 and 190.5); 9th Symposium on Uitrafast Phenomena in Semiconductors (Vilnius, 1995).
Публикации. По материалам диссертации имеется 27 публикаций, из них 7 журнальных статей.
Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения н списка цитируемой литературы, включающего 100 наименований; содержит 133 страниц машинописного текста, в том числе 39 рисунков.
